《自然》子刊发表之江实验室最新研究成果 用计算模型理解大脑视觉机制

余杭时报讯 人类大脑，人体中最神秘的器官，它是人类感知的中枢、记忆的宝库、智慧的来源。一个成年人大脑的功耗大约20瓦左右，满负荷运转下每天仅消耗300千卡能量，两个香蕉就能满足它一整天的运转所需。同样具备存储和计算功能，一台当下主流配置的计算机平均功耗为250瓦，用于人工智能和计算技术研发的计算机能耗则会更高。根据OpenAI公司在2021年发布的资料显示，训练一个大规模语言模型需要消耗大量电力，可能高达数百到数千千瓦时。

研究大脑运作方式，破解大脑高效运行奥秘，为计算技术发展寻找突破口，已成为学界共识。近期，之江实验室混合增强智能研究中心研究团队通过开发计算模型，将小鼠初级视觉皮层中的离体细胞和在体细胞关联起来，从而成功将在体细胞类型以及功能进行匹配，揭示大脑视觉机制。相关研究成果Associations between in vitro, in vivo and in silico cell classes in mouse primary visual cortex在线刊发在国际学术期刊Nature Communications上。论文第一作者和共同通讯作者为之江实验室混合增强智能研究中心研究专家魏依娜。

在大脑皮层中存在着大量神经细胞，它们是大脑的主要功能单位。魏依娜的研究，就聚焦于大脑视觉皮层中的视神经细胞。“在离体实验中，神经细胞可以通过外形、电流反应以及从它们基因组中读取的基因来进行分类，但却无法了解它们在生物体内的功能。”魏依娜进一步解释说，“当神经细胞还在生物体内时，就又无法像离体实验那样来识别细胞身份，我们缺少有效方法将细胞类型和功能对应起来。”

“是否能用计算模型来解决问题？”长期从事医工信融合研究的魏依娜判断，智能计算可以与生物实验结合，成为打开大脑运行机制“黑盒”的钥匙。

在这项最新的研究中，团队首先在小鼠大脑视觉皮层植入高密度多通道电极Neuropixels，获取记录了大量在体神经细胞的电脉冲信号，并根据脉冲信号的特征对神经细胞进行分类。“同时，我们根据小鼠视觉皮层的离体神经细胞数据构建了最复杂最逼真的单细胞计算模型，这些模型可以捕捉神经元活动发出的电信号形状、时间和速度等信息。这可以让我们在单细胞层面复制脑活动。”魏依娜说，“我们利用这些模型成功找到离体细胞类型和在体细胞分类的关联，从而实现细胞身份和功能的匹配。”

通过运用光遗传学技术对小鼠体内的特定神经细胞进行刺激，研究团队进一步验证了计算模型的结果。这项研究展现了计算模型、数据分析和实验设计结合起来的强大科研能力，数字孪生大脑等一批脑科学和类脑智能研究项目将因此受益。

“我们的研究越深入，就越意识到大脑神经活动有多么复杂。希望我们这次的研究成果能够成为一扇窗户，为后来者研究大脑机理、启发类脑智能、研发脑疾病诊治等提供新的解决思路。”魏依娜说。